Materiali con maggiore conduttività termica sono fondamentali per lo sviluppo di dispositivi avanzati a supporto delle comunicazioni, dell’energia pulita e delle applicazioni aerospaziali. Ma per progettare materiali con questa proprietà, gli scienziati devono capire come fononio unità quantistiche del vibrazione degli atomicomportarsi in una particolare sostanza.
Un grafico illustra la configurazione e le funzioni del Rice Advanced Magnet con Broadband Optics o RAMBO. Questo strumento unico consente ai ricercatori di utilizzare la spettroscopia laser pulsata per esaminare il comportamento di materiali che vengono contemporaneamente raffreddati vicino allo zero assoluto e sottoposti a un massiccio impulso di energia magnetica. Credito immagine: Laboratorio Junichiro Kono
“I fononi sono molto importanti per lo studio di nuovi materiali perché governano diverse proprietà dei materiali come la conduttività termica e le proprietà dei portatori”, ha affermato Fuyang Tay, uno studente laureato in fisica applicata che lavora con il Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), un tavolo spettrometro nel laboratorio di Junichiro Kono alla Rice University. “Ad esempio, questo è ampiamente accettato superconduttività nasce dalle interazioni elettrone-fonone.
“Recentemente c’è stato un crescente interesse per il momento magnetico trasportato da modi fononici che mostrano movimento circolare, noti anche come fononi chirali. Ma i meccanismi che possono portare a un grande momento magnetico fonico non sono ben compresi”.
Ora un team internazionale di ricercatori guidati da Felix Hernandez dell’Università di San Paolo del Brasile e dal professore assistente di ricerca della Rice, Andrey Baydin, ha pubblicato uno studio descrivendo in dettaglio le intricate connessioni tra le proprietà magnetiche di questi dervisci rotanti quantistici e il sottostante materiale topologia del struttura delle bande elettronicheche determina l’intervallo di livelli energetici che gli elettroni hanno al suo interno.
Questa scoperta si aggiunge al crescente corpus di conoscenze sui fononi, aprendo la porta non solo a una manipolazione più efficace dei fononi tramite campi magnetici, ma anche allo sviluppo di materiali avanzati.
In un studio precedente, Baydin e colleghi hanno applicato un campo magnetico al tellururo di piombo, un semplice materiale semiconduttore. Quando lo fecero, videro che i fononi smettevano di vibrare in modo lineare e diventavano chirali, muovendosi con un movimento circolare.
“I fononi chirali interagiscono tra loro in modo diverso rispetto ai fononi che si muovono linearmente”, ha detto Baydin. “Se comprendessimo le proprietà di queste interazioni, potremmo sfruttarle. Proprietà diverse potrebbero realizzare diverse potenziali applicazioni nei materiali”.
Dopo aver notato che il momento magnetico dei fononi chirali era piuttosto piccolo nel materiale su cui si erano concentrati inizialmente, il gruppo si è chiesto se il cambiamento della topologia del materiale ⎯ o della struttura delle bande elettroniche ⎯ avrebbe avuto un impatto sulle proprietà magnetiche. Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno testato un nuovo materiale chiamato isolante topologico cristallino.
“Abbiamo preso il tellururo di piombo e gli abbiamo aggiunto lo stagno”, ha detto Baydin. “Se ne aggiungi abbastanza, avviene qualcosa chiamato inversione di banda, creando stati superficiali topologicamente protetti. Questi materiali sono affascinanti, perché sono isolanti in massa ma hanno stati superficiali elettronici conduttori, una caratteristica molto promettente che potrebbe essere sfruttata in nuovi dispositivi elettronici”.
Ulteriori esperimenti hanno rivelato che il momento magnetico dei fononi chirali era due ordini di grandezza maggiore nel materiale topologico rispetto al materiale senza tale topologia elettronica.
“I nostri risultati rivelano nuove e convincenti intuizioni sulle proprietà magnetiche dei fononi in questo materiale e sottolineano l’intricata connessione tra le proprietà magnetiche dei fononi chirali e la topologia della struttura a bande elettroniche sottostante del materiale”, ha affermato Baydin. Ha aggiunto che il gruppo prevede di condurre ulteriori esperimenti in futuro per comprendere meglio altri aspetti del comportamento dei fononi.
Tay ha aggiunto che questi risultati, che dimostrano che il momento magnetico dei fononi è significativamente migliorato nei materiali topologici, possono aiutare gli scienziati dei materiali a cercare e progettare materiali con momenti magnetici fononici più grandi, necessari per diverse applicazioni di dispositivi.
“Questa osservazione fornisce nuove informazioni su come controllare e manipolare le proprietà dei fononi per modificare la conduttività termica”, ha affermato Tay. “Inoltre, l’interazione tra fononi chirali e topologia della struttura elettronica aumenta la possibilità che la fase topologica possa essere influenzata dal controllo dei fononi”.
Fonte: Università del Riso
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
